Метода (целиком)

этом смысле рис. 1.4 неточен, более правильно изобразить, например, вакан-

сию следует так, как показано на рис. 1.5, а. При наличии дислоцированных атомов и атомов примесей решетка деформируется в обратном направлении

(рис. 1.5, б). Хотя размеры нарушений вокруг точечных дефектов невелики, при достаточно большом количестве они оказывают заметное влияние на свойства металлов. Это проявляется, в частности, в сильном уменьшении электропроводности меди при наличии некоторых примесей.

1.4.2. Линейные дефекты

Линейные дефекты называются дислокациями. Появление дислокаций вызвано наличием в отдельных частях кристалла «лишних» атомных полу-

плоскостей, называемых экстраплоскостями. Экстраплоскости образуются в

круг линии дислокации dd возникает упругое искажение кристаллической структуры. Радиус этого искажения невелик, протяженность равна длине линии дислокации, т. е. может достигать размера кристалла. Именно такая гео-

метрия искажений структуры позволяет называть дислокации линейными

ность элементарных актов смещения. В каждом акте экстраплоскость смеща-

ет соседний (по ходу движения) слой атомов (расположенных на рис. 1.7 выше плоскости скольжения АА) на одно межатомное расстояние, и сама за-

нимает его место. В результате «старая» экстраплоскость исчезает и появляется смещенная относительно нее новая. Этот процесс продолжается до тех пор, пока дислокация не выйдет на поверхность кристалла, т. е. самоликвидируется. Выход дислокации на поверхность кристалла означает необрати-

мое смещение одной части кристалла относительно другой на одно межатомное расстояние – пластическую деформацию. Поскольку в каждом эле-

ментарном акте такого смещения участвуют только атомы слоев, соседних с экстраплоскостью, движение дислокации не требует значительных усилий.

В любых, даже самых совершенных, металлических кристаллах всегда имеется достаточно большое количество различных дефектов структуры. В

технических металлах уже в процессе их кристаллизации возникает до

106...108 дислокаций в сечении, равном 1 см2.

Дислокации взаимодействуют друг с другом и другими дефектами кристаллической структуры, что приводит к ограничению их подвижности.

Если в кристалле много дислокаций, то их скольжение происходит обычно по нескольким системам плоскостей. При пересечении этих плоско-

стей пересекаются дислокационные линии различных систем скольжения. При этом дислокации блокируют, тормозят друг друга.

Протяженные пустоты в кристаллической структуре в месте обрыва экстраплоскости являются удобным местом для стока точечных дефектов.

Поэтому вокруг линии дислокации скапливаются атомы примесей, которые снижают подвижность дислокаций.

Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций, которая в кристалле определяется как среднее число линий дис-

локаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м2, или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м3:

ρ l/V.

Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала. После тщательного отжига плотность дислокаций со-

ставляет 105…107 м–2, в кристаллах с сильно деформированной кристалли-

ческой решеткой плотность дислокаций достигает 1015…1016 м–2.

12

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рис. 1.8). Минимальная прочность определяется кри-

кристаллы длиной до 2 мм, тол-

щиной 0.5…20 мкм – «усы» с прочностью, близкой к теоретической: для железа – 13 000 МПа, для меди – 30 000 МПа. При упрочнении металлов уве-

личением плотности дислокаций она не должна превышать значений

1015…1016 м–2. В противномслучае образуются трещины.

Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций изменя-

ются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработ-

Поверхностные дефекты – границы зерен, фрагментов и блоков. Разме-

ры зерен достигают 1000 мкм (рис. 1.9). Углы разориентации ( ) составляют несколько десятков градусов. Граница между зернами представляет собой тонкую в 5–10 атомных диаметров поверхностную (переходную) зону с мак-

симальным нарушением порядка в расположении атомов. Строение переходного слоя способствует скоплению в нем дислокаций. На границах зерен по-

вышена концентрация примесей, которые понижают поверхностную энергию. Однако и внутри зерна никогда не наблюдается идеального строения кристаллической решетки. Имеются участки, разориентированные один от-

носительно другого на несколько градусов ( 1). Эти участки называются

фрагментами. Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагмен-

тацией или полигонизацией.

В свою очередь, каждый фрагмент состоит из блоков, размерами менее

10 мкм, разориентированных на угол менее 1° ( 2). Такую структуру называ-

ют блочной или мозаичной.

1.5. Свойства материалов

Свойство – количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами.

В основе выбора материала лежат три группы свойств: эксплуатационные, технологические, стоимостные.

Эксплуатационные свойства определяют работоспособность деталей машин и включают механические, физико-химические, физические свойства.

Технологические свойства определяют пригодность материала для изготовления деталей, приборов, инструментов требуемого качества.

1.5.1. Механические свойства. Напряжения и деформация. Упругая и пластическая деформация. Хладноломкость. Конструктивная прочность материалов. Характеристики надежности

Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил харак-

теризуется механическими свойствами. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергают воздейст-

вию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызы-

вает в твердом теле напряжение и деформацию.

14

Рис. 1.12. Схема упругой деформации и хрупкого разрушения под действием упругих напряжений: а – ненапряженная решетка металла; б– упругая деформация; в, г – хрупкое разрушение в результате отрыва

Зависимость между упругой деформацией и напряжением выража-

ется законом Гука: σ = Eε, где Е – модуль упругости.

По физической природе модуль упругости рассматривается как мера прочности связей между атомами в твердом теле. Эта механическая характеристика структурно нечувствительна, т. е. термическая обработка или другие способы изменения структуры не изменяют модуля упругости, а повышение температуры, изменяющеемежатомные расстояния, снижаетмодуль упругости.

Пластической, или остаточной, называется деформация после пре-

кращения действия вызвавших ее напряжений. При пластическом деформи-

ровании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой под действием касательных напряжений. При снятии нагрузок сдвиг остается,

т. е. происходит пластическая деформация (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Схема пластической деформации и вязкого разрушения под действием касательных напряжений: а – ненапряженная решетка; б – упругая деформация; в – упругая и пластическая деформация; г – пластическая деформация; д, е – пластичное (вязкое) разрушение в результате среза

16

В результате развития пластической деформации может произойти вяз-

кое разрушение путем сдвига.

Металлы и сплавы в твердом состоянии имеют кристаллическое строе-

ние, и характер их деформации зависит от типа кристаллической структуры и наличия несовершенств в этой структуре.

Рассмотрим пластическую деформацию в монокристалле, которая протекает под действием касательных напряжений и осуществляется двумя спо-

стями скольжения являются кристалло-

графические плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов. Двойникование – поворот одной части кристалла в положение, симмет-

ричное другой его части. Плоскостью симметрии является плоскость двойникования (рис. 1.14, б), чаще возникающего при пластической деформации кристаллов с объемно-центрированной и гексагональной решетками, причем с повышением скорости деформации и понижением температуры склонность к двойникованию возрастает.

1.5.2. Разрушение металлов

Процесс деформации при достижении высоких напряжений завершает-

ся разрушением. Тела разрушаются по сечению не одновременно, а вследствие развития трещин. Разрушение включает три стадии: зарождение трещи-

ны, ее распространение через сечение, окончательное разрушение.

Хрупкое разрушение – отрыв одних слоев атомов от других под действи-

ем нормальных растягивающих напряжений. Отрыв не сопровождается предварительной деформацией. Механизм зарождения трещины одинаков – благодаря скоплению движущихся дислокаций перед препятствием (границы субзерен, фазовые границы), что приводит к концентрации напряжений, дос-

таточной для образования трещины. Когда напряжения достигают определенного значения, размер трещины становится критическим и дальнейший

рост осуществляется произвольно.

17

Для хрупкого разрушения характерна острая, часто ветвящаяся трещина.

Размер зоны пластической деформации в устье трещины мал. Скорость распространения хрупкой трещины велика – близка к скорости звука (внезапное,

катастрофическое разрушение). Энергоемкость хрупкого разрушения мала, а работа распространения трещины близка к нулю.

Транскристаллитное разрушение – трещина распространяется по телу зерна, интеркристаллитное – по границам зерен (всегда хрупкое).

Результатом хрупкого разрушения является блестящий светлый кристаллический излом с ручьистым строением. Хрупкая трещина распростра-

няется по нескольким параллельным плоскостям. Плоскость излома перпендикулярна нормальным напряжениям.

Вязкое разрушение – путем среза под действием касательных напряжений. Ему всегда предшествует значительная пластическая деформация.

Характерна тупая, раскрывающаяся трещина. Размер пластической зоны впереди трещины велик. Скорость распространения трещины мала. Энерго-

емкость значительная, энергия расходуется на образование поверхностей раздела и на пластическую деформацию. Большая работа затрачивается на распространение трещины. Поверхность излома негладкая, рассеивает световые лучи, матовая (волокнистый излом). Плоскость излома располагается под углом. По излому можно определить характер разрушения.

1.5.3. Количественные характеристики механических свойств. Способы определения

Основными механическими свойствами являются прочность, упругость,

вязкость, твердость. Зная механические свойства, можно обоснованно выбрать материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкций при их минимальной массе.

Механические свойства определяют поведение материала при деформа-

ции и разрушении от действия внешних нагрузок.

В зависимости от условий нагружения характеристики механических свойств определяются:

– при статическом нагружении: нагрузка на образец возрастает мед-

ленно и плавно;

– динамическом нагружении: нагрузка возрастает с большой скоростью,

имеет ударный характер;

18

– повторно-переменном, или циклическом, нагружении: нагрузка в про-

цессе испытания многократно изменяется по значению или по значению и направлению.

Сопоставимость результатов обеспечивается методиками проведения механических испытаний, регламентированными ГОСТами.

При статическом испытании на растяжение (ГОСТ 1497) получают характеристики прочности и пластичности.

Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению. Испытания проводятся на специальных машинах, которые за-

писывают диаграмму растяжения, выражающую зависимость удлинения образца [мм] от действующей нагрузки Р, т. е. l = f(P).

Для получения данных по механическим свойствам перестраивают за-

висимость относительного удлинения l от напряжения (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Диаграмма растяжения: а – абсолютная; б – относительная

Участок оа на диаграмме соответствует упругой деформации материала, когда соблюдается закон Гука. Напряжение, соответствующее упругой пре-

дельной деформации в точке а, называется пределом пропорциональности

( пц) – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зави-

симость между деформацией и напряжением:

σпц Рпц .

F0

При напряжениях выше предела пропорциональности происходит рав-

номерная пластическая деформация (удлинение или сужение сечения).

19

Каждому напряжению соответствует остаточное удлинение, которое по-

лучают проведением из соответствующей точки диаграммы растяжения линии, параллельной оа.

В связи с тем что установить точку перехода в неупругое состояние практически невозможно, устанавливают условный предел упругости – мак-

симальное напряжение, до которого образец упруго деформируется. Условным пределом упругости считают напряжение, при котором остаточная де-

формация очень мала (0.005–0.05 %). В обозначении указывают значение остаточной деформации:

σ0.05 Р0.05 .

F0

Условный предел текучести ( т) – это напряжение, которому соответст-

вует пластическая деформация 0.2 %:

σ0.2 Р0.2 .

F0

Физический предел текучести определяют по диаграмме растяжения, когда на ней имеется площадка текучести. Используется для очень пластич-

ных материалов:

σт Рт .

F0

Действующие в изделиях напряжения должны быть ниже предела текучести.

Равномерная по всему объему пластичная деформация продолжается до значения предела прочности. В точке в в наиболее слабом месте начинает образовываться шейка – сильное местное утомление образца.

Предел прочности ( В) – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения (временное сопро-

тивление разрыву):

σв Рв .

F0

Образование шейки характерно для пластичных материалов, которые имеют диаграмму растяжения с максимумом.

За точкой в, вследствие развития шейки, нагрузка падает и в точке к происходит разрушение (см. рис. 1.15).

20